層間水膜對(duì)3D打印混凝土界面性能的影響

芮遨宇,王 里,馬國(guó)偉

(河北工業(yè)大學(xué)土木與交通學(xué)院,天津 300401)

0 引 言

混凝土3D打印是一種典型的智能建造技術(shù),具有無(wú)?；?、靈活化、智能化等優(yōu)點(diǎn),在土木建筑領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。在混凝土材料的可打印性能優(yōu)化調(diào)控[1]、收縮開(kāi)裂的削弱抑制[2]、力學(xué)各向異性的量化分析[3]以及加筋增韌的探索研究[4]等方面,國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)展了大量系統(tǒng)的研究工作,使3D打印混凝土技術(shù)逐漸趨于成熟[5-6]。目前3D打印混凝土結(jié)構(gòu)化發(fā)展迅速,已經(jīng)在數(shù)百個(gè)大型項(xiàng)目中應(yīng)用,對(duì)材料的要求也趨向于高性能化[7-8]。

3D打印逐層堆積的固有建造工藝使材料層間界面的力學(xué)性能和耐久性能薄弱。試驗(yàn)結(jié)果[9-10]表明,層間界面黏結(jié)強(qiáng)度隨著層間間隔時(shí)間的增長(zhǎng)而降低。Keita等[11]發(fā)現(xiàn)層間黏結(jié)強(qiáng)度降低的原因是層間表面干燥,這避免了層間水分蒸發(fā)試件的層間黏結(jié)強(qiáng)度在100 min內(nèi)損失超過(guò)20%,而處于風(fēng)洞干燥環(huán)境的試件層間黏結(jié)強(qiáng)度降低了約50%。Moelich等[12]根據(jù)在泌水、蒸發(fā)的影響下表面水分隨時(shí)間的變化情況,準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了層間黏結(jié)強(qiáng)度可降低30%～50%。相關(guān)研究證明界面水分含量直接影響層間界面黏結(jié)強(qiáng)度。

泵送擠壓力以及擠出成型過(guò)程會(huì)使打印條帶表面泌水,進(jìn)而形成水分含量相對(duì)較高的區(qū)域,即水膜,這是連接上下打印層的過(guò)渡區(qū)域。Wolfs等[13]通過(guò)覆蓋的方法降低水分散失,發(fā)現(xiàn)與具有相同層間間隔時(shí)間的覆蓋試件相比,未覆蓋試件具有更高的孔隙率。Keita等[11]研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)在風(fēng)洞中的干燥時(shí)間從2 h增長(zhǎng)到24 h時(shí),層間處高孔隙率區(qū)域的厚度提高了約400%。因此,材料界面處水膜狀態(tài)直接影響著3D打印混凝土材料界面孔隙特征,進(jìn)而影響材料的力學(xué)性能和耐久性能。

基于上述分析,3D打印混凝土材料性能與層間界面的水分狀態(tài)密切相關(guān)。然而,對(duì)于水膜與界面孔隙特征的關(guān)系尚缺少系統(tǒng)性闡述,并且層間間隔時(shí)間、環(huán)境溫度、環(huán)境濕度等因素會(huì)直接導(dǎo)致打印條帶表面水分狀態(tài)發(fā)生改變。因此,量化表征3D打印混凝土界面處的水分狀態(tài),以及探究其對(duì)3D打印混凝土界面孔隙特征的影響,對(duì)提升3D打印混凝土材料與結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能具有重要的意義。

1 混凝土界面水分含量演變機(jī)制

1.1 界面水分含量初始狀態(tài)

為保證良好的擠出性和流動(dòng)性,在配制3D打印混凝土?xí)r所采用的水膠比往往高于澆筑成型的混凝土水膠比,受擠壓作用時(shí)更易使水分向外泌出,因而在泵送輸送或者擠出成型的過(guò)程中,混凝土?xí)卩徑艿辣诨虼蛴☆^的區(qū)域形成一層潤(rùn)滑水膜,以便材料的流動(dòng)。該水膜的存在使層間界面處混凝土含水率較高,并且水膜厚度會(huì)隨泵送壓力、擠出壓力的增加而增加,這是在打印完成時(shí)的初始界面水分狀態(tài)。

1.2 泌水-界面水分含量演變

泌水是固體顆粒沉降產(chǎn)生的毛細(xì)孔隙壓力通過(guò)連通孔隙將水抽吸出的現(xiàn)象。在早齡期時(shí),混凝土尚未硬化,內(nèi)部存在相互連通的孔隙網(wǎng)絡(luò),水分會(huì)通過(guò)孔隙網(wǎng)絡(luò)輸送到混凝土表面[14]。因此,打印完成后混凝土骨料在重力作用下發(fā)生的沉降會(huì)使混凝土表面泌水,導(dǎo)致界面水分增加。圖1為3D打印混凝土打印條帶表面水分狀態(tài)演變分析圖。如圖1中標(biāo)注的實(shí)線所示,在打印完成不久后,混凝土硬化程度較低,水分運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)連通性較強(qiáng),泌水速率占主導(dǎo)地位,導(dǎo)致界面水分含量逐漸增加。當(dāng)界面水分過(guò)多時(shí),水化反應(yīng)無(wú)法完全消耗界面水分,多余水分會(huì)在界面處占據(jù)一定空間,在混凝土完全硬化后成為孔隙,使界面強(qiáng)度降低。

圖1 3D打印混凝土打印條帶表面水分狀態(tài)演變分析圖Fig.1 Analysis chart for evolution of moisture state on surface of 3D printed concrete strips

1.3 蒸發(fā)-界面水分含量演變

蒸汽壓差會(huì)促使混凝土表面水分通過(guò)蒸發(fā)散失到外界環(huán)境中。如圖1中標(biāo)注的虛線(water evaporation)所示,隨著混凝土水化反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行,混凝土內(nèi)部的水化反應(yīng)消耗了部分水分并使混凝土基體趨于致密,導(dǎo)致可供水分泌出的連通孔隙數(shù)量減少,使泌水速率逐漸低于水分蒸發(fā)速率[15]。界面水分含量的降低會(huì)逐漸使打印條帶的上表面處出現(xiàn)相對(duì)干燥區(qū)域,該區(qū)域中殘留的水分會(huì)在骨料等固體顆粒之間形成水彎液面。水彎液面的半徑會(huì)隨著水分的散失逐漸減小,當(dāng)半徑變得太小而無(wú)法彌合固體顆粒間的空隙時(shí),骨料、凝膠材料等固體顆粒將直接暴露在空氣環(huán)境中,此時(shí)空氣便可滲入。如果放置新的打印條帶但擠壓力未能充分發(fā)揮作用,在硬化后該處便會(huì)形成孔隙[12],并且由于該處界面存在相對(duì)干燥區(qū)域,不利于界面處混凝土水化反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行,會(huì)使界面附近孔隙結(jié)構(gòu)粗化。

1.4 界面水分含量演變

3D打印混凝土材料界面水分狀態(tài)的演變受泌水、蒸發(fā)以及水化作用的綜合影響,其中水化作用對(duì)界面水分的影響主要是使泌水速率逐漸降低。如圖1中點(diǎn)劃線(mass of surface moisture)所示,在混凝土被擠出沉積的早期,泌水量大于蒸發(fā)量,因此界面水分含量增加。隨著時(shí)間的增長(zhǎng)(小于層間間隔時(shí)間),水分持續(xù)蒸發(fā),蒸發(fā)量超過(guò)了泌水量,使得界面水分含量降低,甚至?xí)顾趾康陀诔跏紶顟B(tài)?；谏鲜龇治?如果層間間隔時(shí)間小于圖中關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn),界面水分含量較高可能會(huì)導(dǎo)致界面孔隙率增加;如果層間間隔時(shí)間大于圖中關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn),界面水分含量較低可能會(huì)導(dǎo)致界面孔隙粗大。因此,將層間間隔時(shí)間設(shè)置在關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)處可降低水膜對(duì)界面的削弱作用。

2 界面水分含量及黏結(jié)強(qiáng)度表征

2.1 原材料配合比

制備3D打印混凝土的原材料為:高貝利特硫鋁酸鹽水泥(high belite sulfoaluminate cement, HB-CSA),強(qiáng)度等級(jí)為42.5;硅灰(silica fume, SF),表觀密度為2 200 kg/m3,堆積密度為400 kg/m3;骨料選取石英砂(quartz sand, QS),粒徑范圍為40～80目(178～420 μm);采用檸檬酸鈉作為緩凝劑,減水劑選用聚羧酸系高效減水劑,減水率大于30%。使用長(zhǎng)度為9 mm、直徑為18～20 μm的聚丙烯纖維(polypropylene fiber, PP)來(lái)調(diào)控3D打印混凝土的抗開(kāi)裂性能。3D打印水泥基復(fù)合材料配合比如表1所示。

表1 3D打印水泥基復(fù)合材料配合比Table 1 Mix ratio of 3D printed cement-based composite

2.2 界面水分含量測(cè)試

圖2為3D打印試件變量設(shè)置示意圖。如圖2所示,為研究打印參數(shù)對(duì)界面水分含量的影響,分別設(shè)置層間間隔時(shí)間為0、30、45 min,打印層厚為10、15、30 mm,環(huán)境狀態(tài)可分為有風(fēng)(風(fēng)扇施加4～5 m/s風(fēng)速)、無(wú)風(fēng)兩種。為測(cè)試打印條帶表面實(shí)時(shí)水分質(zhì)量Mst,則需對(duì)初始水分質(zhì)量Mi、水分蒸發(fā)質(zhì)量Ept、材料泌水質(zhì)量Bpt進(jìn)行測(cè)量。

圖2 3D打印試件變量設(shè)置示意圖Fig.2 Variable setting schematic diagram of 3D printed specimen

1)初始水分質(zhì)量Mi

采用高吸水性材料(濾紙)吸取打印條帶表面水分,通過(guò)吸水質(zhì)量(MA-MB)及面積S(單位為cm2)計(jì)算單位面積上的Mi,計(jì)算式如式(1)所示。

(1)

2)水分蒸發(fā)質(zhì)量Ept

水分蒸發(fā)速率試驗(yàn)裝置如圖3所示。由圖3可知,所用模具僅上端開(kāi)口與外界流通,以固定蒸發(fā)面積。將模具置于打印噴嘴下端,依托泵送壓力將模具填滿,確保與實(shí)際打印效果相同。然后將模具頂面裸露在25 ℃空氣環(huán)境中,將質(zhì)量損失視為t時(shí)刻時(shí)的總水分蒸發(fā)質(zhì)量Et,其與頂面面積A的比值即對(duì)應(yīng)時(shí)刻單位面積上水分蒸發(fā)質(zhì)量Ept,計(jì)算式如式(2)所示。

圖3 水分蒸發(fā)速率試驗(yàn)裝置Fig.3 Water evaporation rate test device

(2)

3)材料泌水質(zhì)量Bpt

自重泌水試驗(yàn)裝置如圖4所示。使用兩個(gè)非接觸式激光位移計(jì)對(duì)泌水情況進(jìn)行測(cè)量,分別對(duì)準(zhǔn)漂浮標(biāo)識(shí)板和沉淀標(biāo)識(shí)板來(lái)監(jiān)測(cè)二者的垂直運(yùn)動(dòng)。漂浮標(biāo)識(shí)板隨著水分泌出而浮起,用于標(biāo)識(shí)泌水水位高度。沉淀標(biāo)識(shí)板則隨混凝土表面運(yùn)動(dòng),用于標(biāo)識(shí)水分流失造成的沉降[16]。由此得出t時(shí)刻時(shí)單位質(zhì)量的3D打印混凝土實(shí)時(shí)泌水質(zhì)量Bt,而混凝土比表面積Kpc是打印條帶表面積與質(zhì)量的比值。Bt與相應(yīng)打印參數(shù)下Kpc的比值,即對(duì)應(yīng)時(shí)刻單位面積上的材料泌水質(zhì)量Bpt,計(jì)算式如式(3)所示。

圖4 自重泌水試驗(yàn)裝置Fig.4 Self-weight bleeding test device

(3)

4)表面實(shí)時(shí)水分質(zhì)量Mst

根據(jù)打印條帶表面水分初始質(zhì)量Mi、水分蒸發(fā)質(zhì)量Ept、泌水質(zhì)量Bpt,可得到實(shí)時(shí)水分質(zhì)量Mst,計(jì)算式如式(4)所示。

Mst=Mi+Bpt-Ept

(4)

2.3 孔隙特征測(cè)試

對(duì)從打印試件中切分出的60 mm立方體試件進(jìn)行CT掃描,獲得層間界面孔隙特征。沿Z向?qū)⒃嚰膾呙枘Ｐ途鶆蚯蟹殖? 024個(gè)XY平面的薄片,對(duì)各個(gè)薄片的孔隙率分別進(jìn)行計(jì)算,獲得沿Z向任意位置處的孔隙率。

2.4 黏結(jié)強(qiáng)度測(cè)試

使用量程為1 000 kN的試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試件的層間黏結(jié)強(qiáng)度,剪切試驗(yàn)示意圖如圖5所示,加載速度為0.05 MPa/s。通過(guò)破壞荷載Fτ和剪切面積Aτ來(lái)計(jì)算界面剪切強(qiáng)度f(wàn)τ,計(jì)算式如式(5)所示。

圖5 剪切試驗(yàn)裝置Fig.5 Shear test device

fτ=Fτ/Aτ

(5)

3 結(jié)果與討論

3.1 界面水分狀態(tài)

1)初始水分質(zhì)量Mi

經(jīng)測(cè)試,本試驗(yàn)材料在打印層厚30、15、10 mm時(shí)所產(chǎn)生的表面初始水分質(zhì)量分別為0.120 2、0.129 7、0.132 8 g/cm2。

2)水分蒸發(fā)質(zhì)量Ept

對(duì)240 min內(nèi)混凝土材料的水分蒸發(fā)量進(jìn)行了多次測(cè)量,求得數(shù)據(jù)均值,單位面積上水分蒸發(fā)質(zhì)量Ept隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖6所示。

圖6 打印條帶單位面積水分蒸發(fā)質(zhì)量演變規(guī)律Fig.6 Evolution law of water evaporation mass per unit area of printed strips

3) 材料泌水質(zhì)量Bpt

圖7為自重泌水試驗(yàn)結(jié)果。圖7(a)展示了由激光位移計(jì)測(cè)得的水位、沉降及外部泌水位移量的多次測(cè)量均值,泌水?dāng)?shù)據(jù)在50 min內(nèi)已不發(fā)生變化,可歸因于水化反應(yīng)消耗水分并使混凝土硬化。圖7(b)展示了根據(jù)規(guī)范《混凝土泌水現(xiàn)象的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法》(ASTM C232/C232M—2019)測(cè)得的累積泌水量占試樣凈拌合水量的百分比,即泌水率Ia。Yim等[16]發(fā)現(xiàn)所有澆筑混凝土的Ia均在18%～40%,但本試驗(yàn)中測(cè)得的Ia僅為0.42%,可能是所采用的骨料尺寸較小,導(dǎo)致重力沉降量較少,并且3D打印混凝土中凝膠材料占比較高,摻入了大量的硅灰等水泥替代材料,最終使材料的泌水率大幅度降低。多次試驗(yàn)求得單位面積上的泌水質(zhì)量均值如圖7(b)所示,可見(jiàn)3D打印混凝土的泌水速率隨時(shí)間的增長(zhǎng)而降低,并顯著低于水分蒸發(fā)速率。

圖7 自重泌水試驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Bleeding test results

4)表面實(shí)時(shí)水分質(zhì)量Mst

圖8為打印條帶表面實(shí)時(shí)水分質(zhì)量變化。由于水分蒸發(fā)質(zhì)量遠(yuǎn)大于材料泌水質(zhì)量,因此打印條帶表面水分隨間隔時(shí)間的增長(zhǎng)而減少。初始水膜厚度隨著打印層厚的降低而提高,但由此導(dǎo)致的3D打印混凝土界面水膜厚度增長(zhǎng)并不顯著,避免了水膜過(guò)度增厚帶來(lái)的層間薄弱及孔隙結(jié)構(gòu)粗化。水分蒸發(fā)占主導(dǎo)地位,導(dǎo)致水膜持續(xù)減薄,骨料、凝膠材料等固體顆粒直接暴露在空氣環(huán)境中所引發(fā)的孔隙結(jié)構(gòu)粗化是無(wú)法避免的,這是層間界面孔隙結(jié)構(gòu)劣化的最主要原因。

圖8 打印條帶表面實(shí)時(shí)水分質(zhì)量變化Fig.8 Real-time moisture quality changes on the surface of printed strips

為了更好地簡(jiǎn)化各組試件的名稱,將打印層厚以H表示,將層間間隔時(shí)間以T表示,將有風(fēng)和無(wú)風(fēng)環(huán)境分別用W、N表示,則無(wú)風(fēng)環(huán)境下層厚30 mm、層間間隔45 min的試件命名為H30T45N。H30T20W組界面水分質(zhì)量為單獨(dú)測(cè)量所得,各組試件的層間界面水分質(zhì)量數(shù)據(jù)參見(jiàn)表2。由表2可知,打印參數(shù)對(duì)層間界面水分質(zhì)量具有顯著影響,層間間隔時(shí)間的增長(zhǎng)及環(huán)境風(fēng)的存在都會(huì)使界面水分減少,當(dāng)層間間隔為45 min時(shí)層間界面水分質(zhì)量減少了25.79%,環(huán)境風(fēng)的存在使層間間隔20 min試件的層間界面水分質(zhì)量減少了42.07%。而打印層厚的降低會(huì)使界面初始水分質(zhì)量增長(zhǎng),提高界面水分質(zhì)量后,打印層厚從30 mm降低到10 mm時(shí)初始水分質(zhì)量提高了10.48%。

表2 各試件層間界面水分質(zhì)量Table 2 Interlayer interface moisture mass of each specimens

3.2 界面孔隙特征

3.2.1 間隔時(shí)間的影響

圖9為不同層間間隔時(shí)間試件的孔隙率沿Z向分布圖。將YZ平面上的CT掃描圖作為孔隙率點(diǎn)線圖的背景,與孔隙率曲線相互對(duì)照。在打印層厚、環(huán)境狀態(tài)相同時(shí),層間界面孔隙率隨層間間隔時(shí)間的增長(zhǎng)而顯著增長(zhǎng),H30T45N、H30T20N、H30T0N的層間界面孔隙率分別為6.29%、5.05%、2.50%,H30T45N的層間界面孔隙率較H30T0N提高了151.72%。主要原因?yàn)殡S層間間隔時(shí)間的增長(zhǎng),界面累計(jì)水分蒸發(fā)質(zhì)量增加,導(dǎo)致層間界面水分含量顯著降低,阻礙了層間界面處混凝土的水化反應(yīng),使界面孔隙結(jié)構(gòu)粗化,層間界面更加薄弱。

圖9 不同層間間隔時(shí)間試件的孔隙率沿Z向分布Fig.9 Porosity distribution along Z direction of specimens under different time intervals

H30T45N、H30T20N、H30T0N的整體孔隙率分別為4.83%、4.20%、1.10%,整體孔隙率隨層間間隔時(shí)間的增加而增長(zhǎng)。這可歸因于兩點(diǎn):1)層間界面孔隙率的增長(zhǎng)對(duì)整體孔隙率存在影響;2)基體內(nèi)的水分在間隔時(shí)間內(nèi)受到孔隙負(fù)壓的影響而持續(xù)泌出,導(dǎo)致基體中水分減少,水化程度降低,在骨料等固體顆粒間形成孔隙。

3.2.2 打印層厚的影響

不同打印層厚試件的孔隙率沿Z向分布圖如圖10所示。由圖10可知,H30T20N、H15T20N、H10T20N的層間界面孔隙率分別為5.05%、4.90%、4.50%,整體孔隙率分別為4.20%、3.49%、2.78%。在具有相同的層間間隔時(shí)間、環(huán)境狀態(tài)時(shí),降低打印層厚可減小材料的層間界面孔隙率、整體孔隙率。H10T20N的層間界面孔隙率較H30T20N降低了10.78%,可見(jiàn)降低打印層厚對(duì)材料性能有積極的作用。

圖10 不同打印層厚試件的孔隙率沿Z向分布Fig.10 Porosity distribution along Z direction of specimens with different printing layer heights

在降低打印層厚時(shí),3D打印混凝土的擠壓作用更加充分,這會(huì)帶來(lái)兩方面的影響:1)擠壓力的提高會(huì)迫使混凝土中的水分被擠出,使層間界面水分含量增長(zhǎng),但是3D打印混凝土膠凝材料占比較高,被擠出的水分較少,對(duì)層間界面的影響程度較低,所以層間界面孔隙率降低幅度較小;2)降低打印層厚會(huì)使擠壓作用更加充分,由此產(chǎn)生的充足擠壓力會(huì)使基體混凝土密實(shí)度顯著提高,從而降低整體孔隙率。

3.2.3 環(huán)境狀態(tài)的影響

不同環(huán)境狀態(tài)下試件的孔隙率沿Z向分布圖如圖11所示。由圖11可知,環(huán)境風(fēng)帶來(lái)的影響較為顯著,H30T20W、H30T20N的層間界面孔隙率分別為6.21%、5.05%,整體孔隙率分別為5.53%、4.20%。在層間間隔時(shí)間及打印層厚相同時(shí),環(huán)境風(fēng)的存在使層間界面孔隙率及整體孔隙率均顯著提升,H30T20W的層間界面孔隙率和整體孔隙率分別較H30T20N提高了21.07%、31.66%,主要原因是打印過(guò)程中環(huán)境風(fēng)的存在顯著增加了蒸發(fā)水分的質(zhì)量,導(dǎo)致層間界面水分含量大幅降低,界面孔隙率顯著增長(zhǎng),并且使基體中水分受到孔隙負(fù)壓的影響而不斷向混凝土表面泌出,從而降低了整體孔隙率。

圖11 不同環(huán)境狀態(tài)下試件的孔隙率沿Z向分布Fig.11 Porosity distribution along Z direction of specimens under different environmental states

單位面積上層間界面水分質(zhì)量與界面孔隙率關(guān)系如圖12所示。由圖12可知,層間界面孔隙率與界面水分質(zhì)量之間存在一定的曲線關(guān)系,說(shuō)明在一定程度上界面水分質(zhì)量與層間界面孔隙率之間存在直接關(guān)聯(lián)。與各種打印參數(shù)相比,層間界面水分質(zhì)量是層間界面狀態(tài)更直接的影響因素,直接決定了層間界面孔隙率。層間界面孔隙率隨著單位面積上界面水分質(zhì)量的增長(zhǎng)而降低,且界面孔隙率的降低速度隨界面水分質(zhì)量的增長(zhǎng)而提高。當(dāng)層間水分質(zhì)量極為接近初始界面水分質(zhì)量時(shí),界面水分質(zhì)量的變化對(duì)層間界面孔隙率的影響程度最高,H30T20N的層間界面水分質(zhì)量較H30T0N僅降低了12.47%,而層間界面孔隙率提高了100.02%。

圖12 單位面積上層間界面水分質(zhì)量與界面孔隙率關(guān)系Fig.12 Relationship between interlayer interface moisture mass per unit area and interlayer porosity

3.3 界面黏結(jié)強(qiáng)度

剪切強(qiáng)度與層間界面孔隙率的關(guān)系如圖13所示。由圖13可知,層間界面孔隙率與層間界面剪切強(qiáng)度之間存在顯著的線性關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2為0.977,由此可將宏觀力學(xué)強(qiáng)度與細(xì)觀孔隙特征聯(lián)系起來(lái)。為明確層間界面水分質(zhì)量、層間界面孔隙率對(duì)層間界面剪切強(qiáng)度的影響,建立了相應(yīng)的響應(yīng)面,層間界面剪切強(qiáng)度、孔隙率和水分質(zhì)量的關(guān)系如圖14所示。在保持層間間隔時(shí)間、環(huán)境狀態(tài)不變的情況下,H30T45N的層間界面剪切強(qiáng)度較H30T0N的降低了50.12%,這與孔隙率隨層間間隔時(shí)間增長(zhǎng)而增長(zhǎng)的規(guī)律相符。在層間間隔時(shí)間、環(huán)境狀態(tài)相同時(shí),H10T20N的層間界面剪切強(qiáng)度較H30T20N的提高了17.37%,證明力學(xué)性能是隨著打印層高的降低而提升的。H30T20W的層間界面剪切強(qiáng)度較H30T20N的低14.87%,證明環(huán)境風(fēng)的存在對(duì)界面黏結(jié)確實(shí)存在削弱作用。由此可見(jiàn),層間水分狀態(tài)和界面細(xì)觀孔隙特征直接影響著3D打印混凝土材料的宏觀力學(xué)強(qiáng)度。

圖13 剪切強(qiáng)度與層間界面孔隙率的關(guān)系Fig.13 Relationship between shear strength and interlayer interface porosity

圖14 層間界面剪切強(qiáng)度、孔隙率和水分質(zhì)量的關(guān)系Fig.14 Relationship between interlayer shear strength, porosity and moisture mass

4 結(jié) 論

1)打印參數(shù)對(duì)層間界面水分質(zhì)量具有顯著影響,層間間隔時(shí)間的增長(zhǎng)及環(huán)境風(fēng)的存在都會(huì)使界面水分減少,當(dāng)層間間隔為45 min時(shí)層間界面水分質(zhì)量減少了25.79%,環(huán)境風(fēng)的存在使層間間隔為20 min時(shí)試件的層間界面水分質(zhì)量減少了42.07%。而打印層厚的降低會(huì)使界面初始水分質(zhì)量增長(zhǎng),提高界面水分質(zhì)量,打印層厚從30 mm降低到10 mm時(shí)初始水分質(zhì)量提高了10.48%。

2)層間界面孔隙率隨著單位面積上界面水分質(zhì)量的增長(zhǎng)而降低,孔隙率與界面水分質(zhì)量之間呈一定的曲線關(guān)系,與其他打印參數(shù)相比,層間界面水分質(zhì)量是更直接的層間界面狀態(tài)影響因素。并且在層間水分質(zhì)量極為接近初始界面水分質(zhì)量時(shí),界面水分質(zhì)量的變化對(duì)層間孔隙率的影響程度最高。

3)層間界面水分質(zhì)量直接決定了層間界面孔隙率,層間界面孔隙率與界面剪切強(qiáng)度之間存在顯著的線性關(guān)系。層間水分狀態(tài)和界面細(xì)觀孔隙特征直接影響著3D打印混凝土材料的宏觀力學(xué)強(qiáng)度。